手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展與主要手機(jī)射頻芯片廠家解析

根據(jù)Yole報(bào)告《手機(jī)射頻前端模塊和組件-2017版》，到2022年射頻前端（FEM）市場將達(dá)到227億美元，復(fù)合增長率達(dá)到14%。隨著4G特別是未來5G的發(fā)展，手機(jī)射頻前端器件需求量增長，變得越來越重要，在手機(jī)所占的成本也越來越高。

一、手機(jī)射頻前端技術(shù)趨勢

射頻前端模塊（RFFEM：Radio Frequency Front End Module）是手機(jī)通信系統(tǒng)的核心組件，對它的理解要從兩方面考慮：一是必要性，是連接通信收發(fā)芯片（transceiver）和天線的必經(jīng)通路；二是重要性，它的性能直接決定了移動終端可以支持的通信模式，以及接收信號強(qiáng)度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標(biāo)，直接影響終端用戶體驗(yàn)。

手機(jī)射頻前端主要包括功率放大器（Power Amplifier）、天線開關(guān)（Antenna Switch）、濾波器（Filter）/雙工器（Duplexer）、低噪聲放大器（LNA）等器件，再加上基帶芯片組成了手機(jī)射頻系統(tǒng)。

這一塊市場的全球主要參與者包括Skyworks、Qorvo、Avago、TDK、Murata等，本文不從市場角度去探討，而主要從技術(shù)發(fā)展趨勢的角度來做介紹。

從總的趨勢來說，4G特別是5G的發(fā)展，帶來了更多的頻段和制式，由于手機(jī)設(shè)計(jì)的空間有限，需要盡可能的集成，同時要滿足性能的需求，也因此帶來了工藝的改進(jìn)。比如PA與不同頻段開關(guān)及濾波器的集成，以及不同頻率的PA集成。同時，為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)吞吐量，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）、載波聚合和包絡(luò)（ET）技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。下面分別介紹各類主要器件。

1、功率放大器（PA）

PA直接決定了手機(jī)無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機(jī)時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G前向兼容，以及由此帶來的頻段的增加而增加，以PA模組為例，4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片增至5-7顆，StrategyAnalytics預(yù)測稱5G時代手機(jī)內(nèi)的PA或多達(dá)16顆之多。

就工藝材料來說，目前砷化鎵PA是主流，CMOS PA由于參數(shù)性能的影響，只用于低端市場。4G特別是例如高通等LTE cat16，4x20MHZ的載波聚合技術(shù)，對PA線性度高Q值得要求，會進(jìn)一步依賴砷化鎵PA。同時，據(jù)Qorvo預(yù)測，隨著5G的普及， 8GHz以下砷化鎵PA仍是主流，但8GHz以上氮化鎵有望在手機(jī)市場成為主力。

射頻前端功能組件圍繞PA芯片設(shè)計(jì)、集成和演化，形成獨(dú)立于主芯片的前端芯片組。隨著無線通訊協(xié)議的復(fù)雜化及射頻前端芯片設(shè)計(jì)的不斷演進(jìn)， PA設(shè)計(jì)廠商往往將開關(guān)或雙工器等功能與功率放大電路集成在一個芯片封裝中，形成多種功能組合。根據(jù)實(shí)際情況，TxM（PA+Switch）、PAD（PA+ Duplexer）、 MMPA（多模多頻PA）等多種復(fù)合功能的PA芯片類型。

2、濾波器（Filter）/雙工器（Duplexer）

RF濾波器包括了SAW（聲表面濾波器）、BAW（體聲波濾波器）、MEMS濾波器、IPD（Integrated Passive Devices）等，而雙工器是包含Rx和Tx濾波器。SAW、BAW濾波器的性能（插入損耗低、Q 值高）是目前手機(jī)應(yīng)用的主流濾波器。SAW使用上限頻率為2.5GHz~3GHz，BAW使用頻率在 2.0GHz 以上。

對SAW來說，技術(shù)趨勢是小型片式化、高頻寬帶化、降低插入損耗。采用更小尺寸，包括倒裝（flip chip packaging）和WLP（晶圓級封裝）、WLCSP（Wafer Level Chip ScalePackaging）技術(shù)正在使用，同時更高通帶率、High isolation，High selectivity以及更低價格。

與SAW相比，BAW性能更好，成本也更高，但是當(dāng)頻段越來越多，甚至開始使用載波聚合的時候，就必須得用BAW技術(shù)才能解決頻段間的相互干擾問題。

BAW所需的制造工藝步驟是SAW的10倍，但因它們是在更大晶圓上制造的，每片晶圓產(chǎn)出的 BAW 器件也多了約4倍。即便如此，BAW的成本仍高于SAW。隨著技術(shù)的演進(jìn)， BAW可能會逐步替代SAW。

從集成角度，濾波器/雙工器除了與PA集成外，也會考慮與開關(guān)的集成，如圖所示。

3、天線/開關(guān)（Antenna/Switch）

天線是在手機(jī)射頻前端方面，我國具有最大自主知識產(chǎn)權(quán)的領(lǐng)域。MIMO技術(shù)的應(yīng)用普及為天線帶來巨大增量市場，預(yù)計(jì)到2020年，MIMO64x8將成為標(biāo)準(zhǔn)配置，即基站端采用64根天線，手機(jī)采用8根天線。目前市場上多數(shù)手機(jī)僅僅支持MIMO 2x2技術(shù)，手機(jī)天線數(shù)量需要增3倍。5G將引入高頻率頻段，天線的設(shè)計(jì)方案將由現(xiàn)有的單體天線改為陣列天線，新型磁性材料及LTCC集成技術(shù)將是5G天線的核心技術(shù)。

在調(diào)諧及開關(guān)方面，需要特別強(qiáng)調(diào)的是MEMS開關(guān)的應(yīng)用。如Cavendish Kinetics 公司的MEMS調(diào)諧及開關(guān)技術(shù)，其第一代射頻MEMS天線調(diào)諧器產(chǎn)品，已經(jīng)被各種智能手機(jī)采用，比如2014年發(fā)布的中興手機(jī)。

二、主要手機(jī)射頻芯片廠家

1、Infineon

官網(wǎng)：http://www.infineon.com/

簡介：在無線通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域，英飛凌的產(chǎn)品包括面向射頻連接、無繩和移動電話以及無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的芯片和芯片解決方案。 英飛凌的主要目標(biāo)之一就是將各種射頻功能集成于手機(jī)芯片中，例如收發(fā)器、濾波器、開關(guān)和功率放大器等，同時采用CMOS制造工藝。

2、Peregrine

官網(wǎng)：http://www.psemi.com/

簡介：Peregrine半導(dǎo)體是村田公司，是高性能射頻集成電路或RFIC的領(lǐng)先無廠商提供商。該公司的解決方案利用了UltraCMOS技術(shù)，這是一種獲得專利的高級絕緣體（SOI）形式，可將多個RF，模擬和數(shù)字功能設(shè)計(jì)，制造和集成到單個芯片上。主營天線開關(guān)。

3、TDK

官網(wǎng)：http://en.tdk.eu/

簡介：是世界上最大的電子元器件制造商之一，產(chǎn)品主要市場在通信領(lǐng)域、消費(fèi)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域及工業(yè)電子領(lǐng)域。 旗下從事射頻模組業(yè)務(wù)的子公司：Epcos。

4、Murata

官網(wǎng)：http://www.murata.com/

簡介：村田公司是一家使用性能優(yōu)異電子原料，設(shè)計(jì)、制造最先進(jìn)的電子元器件及多功能高密度模塊的企業(yè)，收購Renesas的功率放大器業(yè)務(wù)。主營陶瓷電容、陶瓷濾波器、高頻零件、無線傳感器等。

5、Qorvo

官網(wǎng)：http://www.qorvo.com/

簡介：Qorvo 由RFMD 和 TriQuint合并而成。兼具 RFMD 和 TriQuint 的技術(shù)、集體經(jīng)驗(yàn)和智慧資源，是移動、基礎(chǔ)設(shè)施和國防應(yīng)用領(lǐng)域可擴(kuò)展和動態(tài) RF 解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

6、Skyworks

官網(wǎng)：http://www.skyworksinc.com/

簡介：思佳訊的半導(dǎo)體解決方案支持的領(lǐng)域包括汽車、航空航天與國防、計(jì)算、互聯(lián)家庭、消費(fèi)電子產(chǎn)品、媒體、醫(yī)療、移動設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)、智能能源和可佩戴設(shè)備。主營射頻及無線半導(dǎo)體解決方案、放大器、衰減器、檢波器、二極管、定向耦合器、前端模塊等。

7、Avago

官網(wǎng)：www.avago.org.cn

簡介：Avago （安華高科技）公司是一家設(shè)計(jì)、研發(fā)并向全球客戶廣泛提供各種模擬半導(dǎo)體設(shè)備的供應(yīng)商，公司主要提供復(fù)合 III-V 半導(dǎo)體產(chǎn)品，收購了博通。主營無線通信、有線基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。

8、SmarterMicro

官網(wǎng)：http://www.smartermicro.com/

簡介：廣州智慧微電子公司從事微波器件和射頻模擬集成電路芯片設(shè)計(jì)、開發(fā)、銷售并提供相關(guān)技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)。核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)專長于射頻、模擬及SOC研發(fā)，創(chuàng)造了多項(xiàng)國際先進(jìn)的發(fā)明專利及核心技術(shù)。

9、Huntersun

官網(wǎng)：http://www.huntersun.com.cn/

簡介：漢天下電子有限公司于2012年7月創(chuàng)辦，專注于射頻/模擬集成電路芯片和SOC系統(tǒng)集成芯片的開發(fā)，以及物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)芯片及應(yīng)用解決方案的研發(fā)和推廣。主要產(chǎn)品：手機(jī)終端2G/2.5G/3G/4G無線射頻前端/功放系列核心芯片和無線連接芯片。

10、RDA

官網(wǎng)：http://www.rdamicro.com/

簡介：銳迪科致力于射頻及混合信號芯片和系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、銷售并提供相關(guān)技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)。產(chǎn)品主要包括GSM基帶/多制式射頻收發(fā)器芯片/多制式射頻功放芯片/藍(lán)牙、無 線、調(diào)頻收音組合芯片/機(jī)頂盒調(diào)諧器/數(shù)字及模擬電視芯片/對講機(jī)收發(fā)器/衛(wèi)星電視高頻頭等。

11、Vanchip

官網(wǎng)：http://www.vanchiptech.com

簡介：唯捷創(chuàng)芯（天津）電子技術(shù)股份有限公司2010年成立于天津?yàn)I海新區(qū)。在上海、北京、深圳、蘇州設(shè)有研發(fā)中心及辦事處。公司致力于射頻與高端模擬集成電路的研發(fā)，是集設(shè)計(jì)、測試、銷售一體化的集成電路設(shè)計(jì)公司。公司目前的主要產(chǎn)品是射頻功率放大器，廣泛應(yīng)用于2G/3G/4G手機(jī)及其它智能移動終端。

12、中普微電子

官網(wǎng)：http://www.cuct.com.cn/

簡介：公司從事射頻IC設(shè)計(jì)、研發(fā)及銷售，產(chǎn)品涵蓋GSM、W-CDMA、TD-SCDMA、CDMA2000以及快速演變的TD-LTE，提供2G/3G/4G全面的射頻前端解決方案。目前公司產(chǎn)品以其高性價比的優(yōu)勢在市場上備受歡迎，得到眾多客戶包括品牌商的肯定。CUCT的的前瞻性TD-LTE射頻功放技術(shù)突顯了CUCT能夠?yàn)槿?G市場提供成熟的射頻解決方案。

13、國民飛驤

簡介：2015年從國民技術(shù)分離出來。2010年開始依托國內(nèi)市場開發(fā)國產(chǎn)射頻功率放大器和射頻開關(guān)。2011年，其NZ5081應(yīng)用于宇龍酷派8180 TD-SCDMA手機(jī)，是第一個應(yīng)用于智能手機(jī)的國產(chǎn)PA（RDA是第一個應(yīng)用于國產(chǎn)功能機(jī)的PA）。2015年，phase 1射頻功放做進(jìn)紅米2A手機(jī)。國民飛驤已經(jīng)擁有了國內(nèi)同行業(yè)內(nèi)最完整、最齊全的4G射頻解決方案，覆蓋包括MTK、高通、展訊、聯(lián)芯、Marvell等各種平臺。

三、20個手機(jī)射頻常見問答

1、什么是RF？

答：RF 即Radio frequency 射頻，主要包括無線收發(fā)信機(jī)。

2、手機(jī)RF IC處理信號的原理如何？

答：當(dāng)射頻/中頻(RF/IF)IC接收信號時，系接受自天線的信號(約800Hz～3GHz)經(jīng)放大、濾波與合成處理后，將射頻信號降頻為基帶，接著是基帶信號處理；而RF/IF IC發(fā)射信號時，則是將20KHz以下的基帶，進(jìn)行升頻處理，轉(zhuǎn)換為射頻頻帶內(nèi)的信號再發(fā)射出去。

3、一般手機(jī)射頻/中頻模塊由哪些部分組成？

答：一般手機(jī)射頻/中頻模塊系由無線接收、信號合成與無線發(fā)射三個單元組成，其中無線接收單元系由射頻頭端、混波器、中頻放大器與解調(diào)器所組成；信號合成部份包含分配器與鎖相回路；無線發(fā)射單元則由功率放大器、AGC放大器與調(diào)變器組成。

4、手機(jī)基帶處理器的組成和主要功能是什么？

答：常見手機(jī)基帶處理器則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與儲存，主要組件為DSP、微控制器、內(nèi)存(如SRAM、Flash)等單元，主要功能為基帶編碼/譯碼、聲音編碼及語音編碼等。

5、如何理解手機(jī)的射頻、中頻和基頻？

答：手機(jī)內(nèi)部基本構(gòu)造依不同頻率信號的處理可分成射頻（ＲＦ）、中頻（ＩＦ）及基頻（ＢＦ）三大部分，射頻負(fù)責(zé)接收及發(fā)射高頻信號，基頻則負(fù)責(zé)信號處理及儲存等功能，中頻則是射頻與基頻的中介橋梁，使信號能順利由高頻信號轉(zhuǎn)成基頻的信號。

6、手機(jī)最后的發(fā)射頻率是在890---915Mhz，這是調(diào)頻波還是調(diào)幅波？測使用gmsk調(diào)制的gsm手機(jī)的射頻部分，為何在測試時使用固定的902.4Mhz的固定頻率？

答：GMSK調(diào)制指高斯最小頻移鍵控，是數(shù)字調(diào)制，某種程度上可以理解成是調(diào)頻，但頻率的改變以離散的（不連續(xù)的）方式進(jìn)行，而調(diào)頻純粹是模擬調(diào)制，頻率的改變是連續(xù)的。

從890MHZ到915MHZ共25MHZ頻帶寬度，信道間隔為200KHZ（即0.2MHZ），共有125個上行信道，測試時不可能125個信道都測，通常會選3個有代表性的頻點(diǎn)（信道），兩邊兩個，中間一個，902.4MHZ剛好是中間的信道。

7、推薦RF仿真軟件及其特點(diǎn)？

答：Agilent ADS仿真軟件作RF仿真。這種軟件支持分立RF設(shè)計(jì)和完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)。詳情可查看Agilent網(wǎng)站。

8、哪里可以下載關(guān)于手機(jī)設(shè)計(jì)方案的相應(yīng)知識，包括幾大?？臁⒏鱾€模塊的功能以及由此對硬件的性能要求等內(nèi)容？

答：可以看看www.gsmworld.com和www.139130.net，或許有所幫助。關(guān)于TI的wireless solution,可以看看www.ti.com中的wireless communications。

9、在做手機(jī)RF收發(fā)部分設(shè)計(jì)時，如何解決RF干擾問題？

答：GSM 手機(jī)是TDMA工作方式，RF收發(fā)并不是同時進(jìn)行的，減少RF干擾的基本原則是一定要加強(qiáng)匹配和隔離。在設(shè)計(jì)時要考慮到發(fā)射機(jī)處于大功率發(fā)射狀態(tài)，與接收機(jī)相比更容易造成干擾，所以一定要特別保證PA的匹配。另外RF前端filter的隔離也是一個重要的指標(biāo)。PCB板一般是6層或8層，必須要有足夠的ground plane以減少RF干擾。

10、如何消除GSM突發(fā)干擾？

答：在PCB布線時，要把數(shù)字和射頻部分很好的隔離開，必須保證好的ground plane。一些電源和信號線必須進(jìn)行有效的電容濾波。

11、選擇手機(jī)射頻芯片時，主要考慮哪些問題？

答：在選擇射頻芯片時主要考慮以下幾點(diǎn)：

射頻性能，包括可靠性。

集成度高，需要少的外圍原器件。

成本因素。

12、 “手機(jī)接收機(jī)前端濾波器帶寬根據(jù)接收頻率的帶寬來決定,必須保證帶內(nèi)信號以最小的插損通過，不被濾除掉?！?在滿足能有效接收信號的情況下，對前端濾波器，如果濾波器帶寬比較寬，那么濾波器的插損就?。▽AW不知是不是也是這樣），但帶內(nèi)噪聲就增加，反之相反。那么在給定接收信號頻率范圍的情況下，應(yīng)該如何來考慮濾波器的帶寬，使帶內(nèi)信號以最小的插損通過？

答：應(yīng)該從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度考慮這個問題，包括頻率范圍(frequency range,sensitivity)和感度(selectivity)等。可以在插損(insertion loss)、帶寬(bandwidth)和帶外抑制(out of band rejection)之間取得折衷, 只要選擇的值符合系統(tǒng)需求，就可以了。

13、怎樣解決高頻LC振蕩電路的二次諧振或者多次諧振？

答：可以改善振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)的頻率選擇性，或者利用輸入匹配電路以削弱諧波。

附相關(guān)英文回答原文：

You can improve the frequency selectivity of oscillator feedback network or take advantage of the output matching circuitry to attenuate the harmonics.

14、RF端口匹配結(jié)果好壞直接影響RF鏈路的信號質(zhì)量。如何最快最好地調(diào)試這些匹配電路？

答：

第一步：可以基于電路板設(shè)計(jì)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量實(shí)際的S參數(shù)，并將其輸入到RF仿真SW中，以獲得初始的匹配網(wǎng)絡(luò)。

第二步：可以基于匹配網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果，在板上做一些進(jìn)一步的優(yōu)化工作。

附：相關(guān)英文回答：

Step 1: You can measure the actual S parameters using network analyser based on your board design and input it to the RF simulation SW to get the initial matching network.

step 2: Based on the simulation result of matching network you can do some further optimization work on your board.

15、在設(shè)計(jì)如wireless LAN card 的時候常會使用屏蔽罩用以屏蔽掉RF部分的輻射。這樣做會增加成本。有什么辦法可以少用甚至不用屏蔽罩？

答：可將高功率RF信號置于PCB中間層，并確保良好接地以減少散射。但是屏蔽罩仍是保證穩(wěn)定發(fā)射性能的首選。

You can put high power RF signal in the middle layer of PCB and make sure have good grounding to reduce the radiation,but shielding can is still the preferred way to gurantee the stable radiation performance.

16、10～30mV的有用信號：放大100～120dB后，有用信號達(dá)到峰峰值3V～~4V，但噪聲信號也達(dá)到了300mV左右，但實(shí)際要求噪聲信號在20mV以下，如何解決？（前級放大問題不明顯，矛盾不突出，關(guān)鍵到最后一級放大后，問題就出現(xiàn)了。）

答：首先要確保有用信號有非常好的信噪比，然后才將其輸入放大器鏈，接著計(jì)算獲得目標(biāo)信號振幅和噪聲水平所需的增益與NF的大小，最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)選擇合適的器件設(shè)計(jì)放大器鏈路。

First please make sure the useful signal has very good SNR before you input it to amplifiers chain,then you can calculate how much gain and NF you need to get the targeted signal amplitude and noise level, based on this you can choose the right components to design amplifiers chain，

17、在開發(fā)WLAN的PCB Layou時候，怎樣匹配或計(jì)算線路為50ohm.？

答：50ohm匹配由PCB層疊決定。將PCB參數(shù)(層厚度、)使用RF仿真工具計(jì)算阻抗、line thickness和line width。

You can calculate the impedance using RF simulation tools by setting PCB parameters like layer thickness, line thickness and line width.

18、如果線路匹配不好，怎樣在網(wǎng)絡(luò)分析儀下計(jì)算所匹配的元件（L ，C）？

答：如果線路不匹配，可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S參數(shù)，并借助史密斯圓圖使用LC元件來補(bǔ)償這種不匹配。

If there's mismatching you can use network analyser to measure the S-parameters and use LC conponents to compensate the mismatch using Smith chart.

19、在射頻電路比如放大器的設(shè)計(jì)中，其管子的信號地與偏置電路的電源地是否分開為好，或者至少在同一層分開？

答：一般不需要分開信號地和電源地。

Normally you don't need to seperate the ground of power supply with the ground of amplifier。

20、不少射頻PCB布板在空域即無元件和走線的地方?jīng)]有布大面積地，這如何解釋？在微波頻段是否應(yīng)不一樣？

答：可以在DC線路上加足數(shù)的小電器。

you can add enough small capacitors on DC line.